Устройство для измерения потока нейтронов

 

СОНИ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

1 ЕС 1ЮЛИ (51) 5 С 01 Т 3/00 госудю ственный комитет ссср

1!О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕ1!ИЙ И 0ТКРЬП ИЙ

I I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ :--(46) 15.05,92. Бюл. t> 18 (21) 3882946/25 (22) 08.02.85 (72) Н).A. Сурков, Л.P. Диамент, В.Г. Ляпин, О. П. Щеглов. Р.И.,Яковлев и В с Б. Анд1)еенкОВ (53) 621. 387. 426 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

1 1236914,, кл. G 01 V 5/00, 1984.

Авторское свидетельство СССР

Р 348965, кл. G 01 V 5/00, 1970. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ЩИ ИЗ&. :.",":!

1!ОТОКЛ НЕЙТРОНОВ, включающее корпус, детектор нейтронов, расположенный в корпусе, замедлитель Нейтро!!Ов и регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения информа" тивности, тбчности и чувствительности измерений, детектор нейтронов вы- полнен на и счетчиках нейтронов. которые объединены в шесть групп, каждая из которых экранирована, при этом четЬ!ре группы. расположены в периферийной плоскости и две группы — в параллех!ьной ей центральной плоскости, причем минимальное расстояние между стенками корпуса и счетчиков групп, расположенных в периферийной плоскости, меньше, а счетчиков групп, расположенных в центрально!! плоскос ти, больше средней длины замедления нейтронов, экраны двух групп, распо3!Ожеиных в периферийной плоскости, выполнены послойно из кадмия и бора, fI p B э т О и э к !2 а и о,!1 н О Й и з Г 12 5 I E !1 и е е т графитовое Окнор экраны двух других г12чппр располояе!!ных в ЭТОИ Re плос кости,. выполнены из кадми!1, причем ,экран одной из групп имеет окно из олова, экраны групп счетчиков, расположенных в центральной плоскости, выполнены из кадмия и оло!за соотве "cò вепно, все окна экранов расположены со стороны б23!И21!а!!!Ней станк!1 а Ilblzopb! групп счетчиков по!?арно «с: . кл!оче!!ы к регистратору.

2. Устройство по п.1„ о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что регистратор содержит. три компаратара, два !лока

Дел е н и Я H P 13 G EJEJ H K EJE! o H Q JI b ! bi# II P e 0 612 ! Я зователя, при этом перифери!?!Ные руп- !!! р пы, экранированные кадмпем и борср!., 4У! подк!!ючены к входам первого компара- ( тора> кадмием к входам вторОгo центральные, группы — к входам третье" ф го, первый блок деления входа!и! сое»-. динен с первь!м и вторым компараторами, а выходом — с функциональным преобразователем, второй блок деления входал!и соединен со вторым и третьи!! компараторами, а выходом - со вт.2рым функциональным преобразоватех!ем.

3; Устройство по пп.1 и 2,, о т - л и ч а ю щ е е с я тем, что графическое окно эквивалентно по массе г/см экрану из бора той же площади, !

Окно и экран из олова эквивалентны по массе г/см кадмию той же площади.

129(1885 в тепловой или эпитепловой области, резко уменьшает потоки нейтронов в указанных областях энергий, не приводя к изменению потока быстных нейт5 .роков вблизки поверхности породы.

Чувствительность определения содержании воды в породе .с помощью предлагаемого устройства - 0,5X а общего содержания элементов с большим сечением захвата тепловых и эпитепловых нейтронов — около 0,01Х эквивалентного содержания бора.

Для получения большей информативности измерений производится регистрация нейтроннг.х потоков трех диапазонов энергии: быстрь6. - 10 кэВ-2 мэВ, эпитепловых — 0,4 э — 200 эВ и теп.повых — менее 0,4 эВ. При использовании системы экранов,, поглоя, ающих

20 тепловые и эпитепловые нейтроны, возможно дискретно регистрировать указанные энергетические группь1. Заэкранировяться от потока быстрых нейтронов значительно .сложнее. Достаточно хорошей защитой, ко-.орзя снизит поток нейтронов в интрвале энергий 0,1

2 мэВ в 5-10 раз,. является слой борис=-".à-. ..гогого полиэтилена толш™ной около . .1. ; г/см,. Использование на космичесяпга :ате. якого замедлив еля на» пример бак- с горючим толщиной в 20: 5 г/см, может дополнительно снизить этот поток в 2-3 раза,.

В открытом космосе вклад быстрых

H A ÷oHob3 в скорость счета фона ме, 3 57. ОТ Общсй схopO .-,И СЧ"Т-а ИМПуЛЬсов счетчика медленных нейтронов.

Остальной фон составляет заряженные частицы,. энерговьделение которых в

4Î счетчиках 0,3-1,0 мэВ (энергетический интервал, необходимый для выделения медленных нейтронов за счет реакции п1Не †Т+Р). Такое энерговьделеиие дают как релятивистские первичные 45 ядра космического иэлученйя тяжелее углерода, так и сильноионизирующие низкОэнергетичные продукты ядерньгх реакций (протоны, А -частицы, фрагменты). Скорость счета, обусловленная

t1 ээтими частицаг1и, сравнима со скоростью счета межденных нейтронов. Заэкранироваться от космических частиц, имеющих среднюю энергию около 10 гэВ, и продуктов их ядерных реакций с по55 мощью пассивной защиты приемлемых размеров не представляется возможным. интенсивностей потоков нейтронов г. р хзпичных эггергети -1 3ских группах

Ирисутствие в породе воды резко увеличивает поток тепловых и зпитепловых нейтронов и уменьшает поток быстрых нейтронов. Соотношение потоков тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов меняется в 2-3 раза. 11аличие же в породе элементов, Обладающих большим сечением захвата нейтронов

Изобретение относится к облаСти исследований космоса, предметом изучения которых является определение содержания редкоземельных элементов (РЗЭ) и водородсодержащих минералов в космических объектах, например,на, планете Меркурий, спутниках - Луне, Фобосе, Деймосе, астероидах и др.

1 .сли исследуемый космический объект лишен плотной атмосферы, то определение указанных компонентов может быть осуществлено дистанционно с автоматического аппарата при пролете вблизи Объекта. Слои пород, содержащих

РЗЗ или водород, могут быть обнаружены 1;ак на поверхности, так и под

"ïîåì реголита.

Устройство может найти применение в других областях науки и техники, связанных с измерением потока пейт»

РOHO13

Цель изобретения — увеличение информативности, точности и чувст13итсльности измерений.

Известно, что космические тела., .гигшенные атмосферы, облучаются га31актическими и солнечными космическими лучами, .т.е. внешними источни;;,:.::::: ых <."Укпидоч про OH -11,, . .--частиц и; p.,, 3 результат=- ядерпого ггзаиггодействия в породе примерно до глубины 50 см возникают испаОительные неЙтронь1р средняя ггергия

-.Отооых 4-"..: мзВ гастг ОбоаЯугош11хс: исггарительных . »Йтроно13,. Претерпевшая многократные пругие и неупругие столкновения с атомными ядрами (вплоть до глубины

200 г/см ), вылетает с поверхности породы. Энергетический спектр выяета10щих нейтронОв Hp зависит ни оТ плотности породы ни От интенсивнОс ти космических, лучей, а определяется элементным составом породы, в первую

Очередь, элементами, эффективно замедляющим и захватывающими нейтроны

Изменение содержания в породе таких элементов сильно меняет соотношение

Исключение фона всех частиц, не обусловленных нейтронами вьделенных

129п«<5 (ПО13Еркутс)); НЛ фИГ. 5 — Т О жЕ, pËЗрез Б — Г> !тл фиг. 3. (JJnI)epffy f n) .

Устройство для измерения ттотокл нейтронон, схематично и. !Обряженное нл фттг. 1 содержит корпус 1, внутри которого разлте>пены счетчики 2 тепловых нейтронон, замедлитель ) и блок электроники регистратора 4. Корпус выполнен из материалов, обладая)щих

>0 минимлльнь!м атомным несом, например из алюминиевых или титановых сплявон.

В качестве замедлителя 3 может быть использован полиэтилен, парафин, а также любое водородсодержлщее вещество. Нлэнлчеттие замедлителя 3 замедлить быстрые нейтроны до тепловых энергий, т.е. менее 0,4 .эБ. Это ттознот!Лет и(пОльзОВл 1 ь Г кл>те(тве детекторон быстрых нейтронов с тетчи >

J(H ттедленны-; . ттейтротт< в, например

СНл1-17. Все с тети!хи 2 сгрунпиро!)лпьт

v птесть грутш, из которых четыре

Группы 5, 6, 7 и 8 расположены в пе25 риферийной плоскости 9 и две группы

10 и 1 1 3 fJiTt>c;!f!fCJJT>ftOff (1с цс)ПТр !ль

tfof" плоскости 12, Гасстof;!fHO от счет>икон 2 Групп 5, 6, 7, 8 до блпжлиfifo!i cò(.IJ1(п кот)п»ОG 11 1лтеньпте il От счетчиков 2 групп 10 и 11 — бол;ще

З1 средней длины замсдлителл нейтронif, Кажда,т сиз грунт! окружена экранами;

БьпlОлттpiffiымп днл Гpупт!1>1 5 и 3 кад лт!тл 13 н бора 114 массой 1-2 г/см". . r д:тл Групш.>" 6 — из кадмия та и Сора.

35 1 6 с Г1)л(ртт !" 0131>,л! 01(!30M 1 7, Зкттттнл>тент-. ным по массе г/сл12 бору 14 „для группы 7, — II3 т(лдмия 38 для t p>>>ппы 8 из кадмия 19 с окном из олова 20, эквпвллс.нтнь>м по массе г/см клдм33)о т30 !8, для группы 10 — из кадмия 21,для гр;ппы 11 — из олова 22, экниьллектным по массе г/см кадмию 21. энерГеттт те(- Kèõ Груттт! Вьнтолlтяс тсл ттолтотцью системы экранов и фил!.тротт, которые практически совилдлют клк . по своим ядер!31п-т характеристикам (сечениям и энергетическим спектрам образующихся н ких заряженных частиц и нейтронов), тлк и по замедля!ощим характеристикам, ко очень сильно отличаются по способности пропускать нейтроны выделенных энергетических групп.

Кадмий то7тщиной 0,8 мм поглоптает нейтроны с F. < 00,4 эВ, клдмий в состетании со слоем бора толщиной около

2 г/см - поглощает нейтроны с энергией до 100 эБ, 1>ор и углерод по сноттлт ядерным характеристикам и замедляю-! щей способности пра (J.tt>feet(H идентичны, но углерод то>!отти!сттт 2 г/см2

JT p (> a p;t >t (> J t дл л Jf e JTJ T p o f f 0>JJ . И О э т О л! у р а з

HocTI> пот(лзстниЙ If to!>(H>TI H т!Рpt30ff Грутт пы счет тикот) пропорционлттт.нл только ттотоку нейтропов н интервлле энергий

0 4 100 38 при тем 1>ейтроны B ут(". занном интервале энергий реги(.триру-тот(Я 1 Ол ьеО (О OTO))0JJI>J (j)HJJ I> T1) л (От(fI;3 > из углерода „110 лил!тот ичным сос>брав

>!(F I!If JfM ттрн 1)ьтчт! I лнии показаний чpT

I oP i oH H Г1)c. T1>(É i" PQIII1 JTOJJ ) чттм чину, пропорциоплльнуто потоку ис.HI

po1l0I3 (Е О, ч э8 CO CTOpo>if>t OJlot!Jiii ного окна а разность поклзл итй птес— т О и 11 и л то Й 1) g â !IT I! P 011 о Р I J I i o t f с!1l J > J f ff потof() !те!>л! р<)тто!3 В ттнтернлле энергий

ni(oito

Совоку!!Вость с упн стпенных !!риз нлв кот3 предллгас.мого измерителя !!Отокл

Нейтронов, предназначенного ti!tv установки его нл автоматических космичеcI(Hx апплрлтлл, обесп(читтлoò рсгист рацп!о и измерение нетттроттов всех энергетических групп — тепловых, эттит"еплоных и бь!стр!тх, позволлег нов лучить результать измерений без влияния фона космических частиц за счет препложенного объединения счетчиков в группы с. указанным экрлниронанием и зя счет предложенных функциональ вЂ, -ных схем обработки сигна)тов счетчиков.

Яа фиг. 1 схематично изображены предлагаемое устройство и функцио-, .нальная схема подключения групп счетчиков; на фиг. 2 изображен вариант функциональной схемы комплрлтора; ка фиг. 3 изображен вариант конструктивного выполнения устройства; на, фиг. 4 — тс) же,.разрез A-Л нл фиг.З

Экраны из бора 14 и 16, а также

> графитовое окно 17 выполнены из Ilo рощка, засыпанного между экранами из ,кадмия 13 и 15 и внешней оболочкой

23, выполненной иэ материала, аналогичного материалу корпусл 1, напри50 мер из алюминиевого сплава. Экрлк из .бора 16 и графитоное окно 17 разделе ны перегородками 24. Группы ".- 6,7 и

8 размещены н корпусе 1 со стороны измеряемого потока 25 .нейтронон от 5 исследуемого объекта. Для регистрации результатов измерений все группы

5,6,7,8, 10 и 11 подключены к регистратору 4, содержащему три компаратора

26, 27 и 28, два блока деления 29 и еГО изготовления и сборки, выполнены полости для размещения в них счетчиков 2, объединенных в группы 5 6

7,8, 10 и 11, а также для размещения электроники блоков. регистратора 4.

Группы 5,6,7 и 8 крепятся к эамедлителю 3 с помощью скоб 47, изготовленных иэ материала, аналогичному корпуса 1, т.е. из материала на основе алюминия или титана. Группы 10 и

11 закреплены с помощью заглушек 48

На кронштейне 45 размещен датчик давления 49, а на крышке 44 — герметичные разъемы 50 для ввода электропитания и съема информации.

Для увеличения чувствительности измеритель должен быть размещен на космическом аппарате са стороны слоя водородсодержащего материала толщиной не менее 20-50 г/см, например, бака с топливам.

Измеритель потока нейтронов работает следующим образом.

Для выполнения измерений плоскость

9 должна быть ориентирована параллельно поверхности исследуемого объекта.

Поток нейтронов 25 с поверхности исследуемого космического объекта, а также фоновое космическое излучение и излучение космического аппарата, на котором установлено устройство для измерения потока нейторов, достигают поверхности устройства. Нейтроны проникают через корпус l, материал которого не оказывает влияния на поток, и достигают замедлителя 3. В замедлителе 3 быстрые нейтроны энергий

0,1-2 мэВ замедля1отся.до энергий .тепловых нейтронов, т.е. менее, чем

0,4 эВ, а тепловые нейтроны им поглощаюгся. Быстрые нейтроны, проникающие в корпус 1 со сторонЬ1 космического объекта, не регистрируются счетчиками 2 групп 5,6,7 и 8. Группа 5 регистрируется только быстрые нейтроны энергий более 100 эВ и заряженнь1е частицы космического излучения со всех направлений, кроме объекта.

1Группа б дополнительно к тому, что регистрирует группа 5, регистрирует нейтроны энергий больше 0,4 эВ. На выходе 41 компаратора 26 после вычитания сигналов с групп 5 и 6 в блоке 39 получается скорость счета нейтронов только в интервале 0,4 100 эВ и только со стороны окка 17, т.е. от исследуемого космического объекта. Группа 7 регистрирует нейтроны энергий более 0,4 эВ и фоновые

5 1290885

30 и два функциональных преобразовател11 31 и 32. Для регистрации эпитепловых нейтронов группы 5 и б подключены к компаратору 26. Для регистрации тепловых нейтронов группы 7 и

8 подключены к компаратару 28. Для регистрации быстрых нейтронов группы

10 и 11 подключены к компаратору 27.

Входы блока 29, предназначенного для исключения влияния временных вариаций 10 космического излучения, соединенным с компараторами 26 и 27 а блока 30 с компараторами 27. и 28. Выход блока

29 соединен с входом преобразователей

3 1 и 32, а блока 30 — с входом преоб- 15 разователя 32. Выход 33 преобразова" теля 31 служит для сЪема инФормации, характеризующей содержание воды в исследуемом объекте.. Выход 34 преобразователя 32 служит для съема чнфор- 20 мации об эквивалентном по бору содержании элементов с большим сечением захвата тепловых нейтронов.

Учитывая идентичность компараторов

26, 27 и 28, рассмотрим их на приме" ре компаратора 26 (см. фиг. 2),содер-. жащего два накопителя 35 и 36, входы которых через преобразователи 37 и

36 соединены с группами 5 и 6 соответственно, а выходы — с блоком вычитания 39р на выходе когорОго формируется выходной сигнал, Для синхронизации преобразователи 37, и 38 и блок 39 подключены к генератору тактовых импульсов 40. Назначение преоб- 35 разоватепей 37 ..и 38 — согласовать высокое выходное сопротивление счетчиков 2 с низким входным сопротивлением последующих цепей. сформ11ровать выхОдной сигнал который пропордиа 40. пален количеству импульсов, зарегистрированных группой в соответствующем энергетическом диапазоне. Коипаратары 26, 27 и 28 имеют выходы 41.

Пример кансгруктивного выполнения . 45 устройства показан на фиг. 3, 4 и

5 при,этом на внутренней поверхности корпуса 1, имеющега форму полога усеченного цилиндра, расположены ребра жесткости 42, выполняющие 50 одновременно функции направляющих, К корпусу 1 через уплотнительную прокладку 43 крепится крьпдка 44, .иа которой с.помощью кронштейна 45 закреплен эамедлитель 3, имеющий .продольные пазы 46, сопрягаемые с ребрами 42. В замедлителе 3, который может. быть выполнен монолитным или, @6ставным, что связано с удобством

12908 частицы. Группа 8 дополнительно к тому, что регистрирует группа 7, регистрирует нейтроны энергий да 0,4 эВ.

На выходе 41 компаратора 28 после вычитания в блоке 39 получается скорость счета, обусловленная только нейтронами энергий не более 0,4 эВ и только со стороны окна 20, т.е. от исследуемого космического объекта.

Счетчики 2 группы 10 регистрируют 1О замедлившиеся в замедлителе 3, толщиной около 5 г/см -, нейтроны с энергией более 0,4 эВ (в основном эпитепловые) и фоновые заряженные частицы. Счетчиками.2 группы 11 регист рируется то же, что и группой 10, а также те нейтроны, которь5е прошли не только слой замедлителя 3, но и слой кадмиевого экрана 21 и .замедлились да энергии тепловых нейтралов, т.е. до энергии менее 0,4 эВ. Па.вы ходе 41 5<ампаратора 27.после вычитания н блоке 39 получается скорость счета обусловленная нейтро5.ами н

Ф > С; энергетическом интервале нышс 0.1мэВ,-не обуслонленная скоростью счета фоновых частиц.

С целью исключения временной пс:,:-.— ределеннасти, обусловленной кратка"I g1 временными вариациями касм55ческогс излучения, рассматринаются »е абсалютнь. e значения, а отношение числа импульсов на выходах кам»аратарон после вычитания фана. Отношение чис»а иь5-пульсов на нь5хадгх кампаратаран 2б ; 35

27 после деления в блоке 29 и обработке н фу»кцианальном преобразонател 31, темп выхода 33 соответствует только садержан.5ю надсрода в параде, т. е. аг5редсле»наму значе5555ю влажнос. ти. На выходе 34 отношение числа нь5ходных импульсан кампаратаран 27 и

85 8

28 после деления их в блоке 30 и обработки в функцио55альном преобразователе 32 при фиксированном значении влажности является только функцией содержания в породе элементов сильно. захватывающих медленные нейтронь5.Абсолютное содержание этих элементов может быть очень малым и другими методами, например g при рентгеновской . спектрометрией, их определить не удается.

Положительный эффект предложенного измерителя заключается в том, что предложенное сочетание групп счетчиков с указанным их экранированием, а

I также предложенные схемы обработки информации Uo35=oJ55550T 55с5(тт?нч55ть вп5!яние на результаты измерений фона космических лучей и увеличить информативность измерений. Это абеспе-(ейо измерением од5555ь5 прибором трех э55ер " гет55ческих групг5 не55тра55ов. "тепловых, »адтепланых и быстрых 0Т исследуемого объекта, I.o обеспечивает как определение содержания иоды так и суммы элеме»тан с большим сече5555ем захвата тепловых не5ггро55ав, а также увеличить

:.унетн55тesiLHocть прибора. Зта достигается тем, чта для определения содержа»ня элеме»тан, эффектпн»о замедляю5щнх и захватынаюцих нейтроны, используются характеристики отношений пото.;oI. в двух фу»кцио»альных преобразователях. При этом зависимости отношений потоков от содержания н породе данных элементов является более резко ь5еня5ощ55м55ся и устойчивыми функциями, чем зависимости потоков от содержания элементов.

Использование предложенных технических решений увеличивает чувствительность в несколько раз.

1290885

3ф.7 г

Qg (Я) 1290885

Составитель Б. Рахманов

Редактор Т. Фельдман Техред И.Попович Корректор Г. Решетник

Заказ 2437

Тираж .".. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва,Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4